反级配人工湿地系统处理生活污水的研究

徐恩兵

（葛洲坝集团生态环保有限公司 湖北武汉 430000）

引言

随着生活污水排放的增加，一部分一定比例的生活污水由完善的管网体系输送至既有污水处理厂处理，大大提高了污水厂的处理负荷；另一部分则直排入受纳水体中，引起了一系列水环境污染问题。因此，如何对未达标排放的生活污水进行有效处理已经成为目前水治理行业研究的难题之一[1][2]。

近年来，人工湿地由于其建设运行成本低、易管理和处理效果好等优点，逐渐被应用于中小城镇的生活污水处理及污水处理厂的污水提标处理。但运行处理效果受多方面因素的影响作用明显，主要集中于湿地基质长时间运行后的堵塞效应及低温环境造成处理效果的急剧下降作用[3]。湿地基质随运行时间的延续进而出现过流断面不断缩小的现象，即基质间的空隙堵塞，导致系统水力通行能力降低，进而引起湿地表面水位的壅高及水体污染物质降解效果降低等问题，同时可能引起污染环境等现象事件的发生。另外，气温变化对于湿地系统污水处理的影响也至关重要，低温条件下人工湿地污染物去除效果相对较差是普遍现象，但传统人工湿地冬季运行效果差限制着人工湿地的推广应用[4][5]。

在气温明显低于其他季节的冬季情况下，基质填料空隙及其表面附着的微生物群的生理活动放缓甚至进入到休眠的状态，使得依附于微生物群降解来水中营养盐物质的湿地系统难以持续良性运行，导致系统对来水中的营养盐物质降解消纳效果显著减弱，因此相较于其他季节中系统对于来水中营养盐物质的降解消纳效果而言，处于冬季环境条件下的系统降解消纳效果弱化许多，限制了湿地系统在冬季低温季节的应用。因此，如何解决人工湿地系统填料基质在常态化运行过程中出现的填料基质空隙堵塞问题及在冬季低温环境下保障湿地的处理效果，成为人工湿地能否在不同应用场景下广泛运用的关键问题。本研究利用非冬季及冬季2 套进水管路系统、内部设置反级配组合填料层及中空保温层的人工湿地结构形式，同时辅以相应的景观挺水植物，对浙江省桐乡市某村镇的生活污水处理进行研究。

1 材料与方法

1.1 湿地结构

人工湿地系统设置进水单元、湿地处理单元及出水单元3 部分，其中进水单元包括非冬季进水管及冬季进水管，湿地处理单元内设置反级配组合填料及保温中空层，出水管道设置于湿地床体底部。人工湿地系统的特征在于非冬季进水管道设置在种植土层底部，并高于所处地区最大冻土层的底部；冬季进水管道设置在低于所处地区最大冻土层底部,高于出水管道覆土层顶部；非冬季进水管和冬季进水管分别设置进水阀；湿地系统内部的集水管上方设置通气管，通气管上设有通气阀。当湿地所在地区处于非冬季或温度较高时,非冬季进水管道进水阀开启,冬季进水管道进水阀关闭，污水通过湿地系统上层的非冬季进水管道进入湿地处理单元；当湿地所在地区处于冬季或温度较低时，非冬季进水管道进水阀关闭，冬季进水管道进水阀开启，湿地处理污水通过下层的冬季进水管道进入湿地处理单元；湿地系统集水管上部的通气阀根据湿地出水水质及运行效果进行针对性的调节。其中，填料层的厚度为所在地区最大冻土层厚度的1.2～1.5 倍；填料层自上而下分为3 部分，填料层的填料为沸石、砾石、石灰石、炉渣的组合，具体质量组合比为3:1:2:1。填料层自上而下3 层的填料粒径组合分别为9.8±2.5mm、4.4±1.5mm、26.4±3mm；非冬季进水区域的填料层下方与冬季进水区域的填料层上方设置有中空区域，内填充有干燥的木屑，中空区域的厚度为所在地区最大冻土层厚度的0.5 倍；上方的挺水植物为芦苇。人工湿地系统结构如图1 所示。

图1 人工湿地系统结构

1.2 运行条件

试验研究在室外条件下原位进行，系统进水为某村镇的直排生活污水。系统于2018 年5 月1日开始运行并测试各项指标，测试时间10 个月，采样频率为1 次/月。

1.3 测试项目与方法

本研究重点关注人工湿地系统对化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）和总磷（TP）的去除效果。水质指标的分析方法采用国家环保局的标准分析方法[6]，COD 采用重络酸盐法测定，NH3-N 含量采用纳氏试剂法测定，TP 含量采用铝酸铵分光光度法测定，孔隙率按照基质饱和和放空的水量体积进行计算获得。

2 结果与分析

2.1 COD 的去除效果分析

生活污水中的污染物质COD 主要是通过人工湿地系统中人工填料基质的截留作用、填料基质表面形成的微生物膜及系统内微生物的生物降解作用去除。运行期间，人工湿地系统的COD去除率及进水的COD 浓度如图2 所示。

图2 人工湿地系统内用重铬酸钾测得的COD 的变化情况

由图2 可知， COD 的去除率表现出一定的季节性差异，冬季及非冬季人工湿地系统对COD 均有良好的净化效果。非冬季COD 去除率在80.75%～87.33%之间，而冬季COD 去除率在70.69%～73.35%之间，非冬季及冬季的去除率仅存在较小的差异性，说明湿地系统在冬季的保温性能良好，能维持较高的COD 去除水平，其相较于非冬季的去除效果，下降幅度较小。

2.2 NH3-N 的去除效果分析

NH3-N 主要是通过人工湿地系统填料基质的吸附、挺水植物根系的吸收以及微生物作用等多种途径去除。运行期间，人工湿地系统的NH3-N 去除率以及进水的NH3-N 浓度如图3所示。

图3 人工湿地系统内NH3-N 的变化情况

由图3 可知，随着季节的交替，期间NH3-N的去除率呈现了较明显的差异性， NH3-N 在一年四季中均体现出了良好的去除效果。非冬季NH3-N 去除率在64.38%～69.31% 之间，冬季NH3-N 去除率在51.45%～57.21%之间，人工湿地系统在非冬季的NH3-N 去除效果优于冬季，但差别较小。非冬季的水温较高、植物生长快对水中NH3-N 吸收量加大，微生物生长和代谢快、活性高，加速了NH3-N 的去除。而人工湿地系统在冬季的保温性能良好，微生物活性下降有限，与非冬季相比冬季NH3-N 去除率未呈现出大幅下降。

2.3 TP 的去除效果分析

TP 主要是通过湿地系统内的填料基质的吸附、植物根系的吸收作用等多种途径去除。运行期间，湿地系统的TP 去除率以及进水的TP 浓度如图4 所示。

图4 系统内TP 的变化情况

由图4 可知，TP 的去除率表现出一定的季节性差异，冬季及非冬季湿地系统对TP均有较好的净化效果。在非冬季，TP 去除率 在73.25%～78.96% 之 间， 略 优 于 冬 季 的62.35%～67.21%，说明TP 的去除效果受水温影响显著，与范远红等[7]的研究结论一致。去除效果的差异是因为非冬季的水温较高，挺水植物的快速生长作用对水中TP 的吸收量加大，同时微生物繁殖代谢快、活性高，有利于微生物聚磷效果，进而达到去除TP 的效果；冬季随着水温的降低，植物开始枯萎，填料基质中的微生物的活性下降，因此TP 去除率下降。不过，本研究开发的人工湿地系统在冬季的保温性能良好，微生物活性下降幅度较小，冬季与非冬季对TP 的去除率差异较小。

2.4 有效孔隙率的变化

人工湿地系统稳定运行3 个月后，各层有效孔隙率的变化情况如表1 所示，湿地系统各层有效孔隙率降幅较均匀，中层最大，下层最小。由于组成系统上下层的基质为大粒径类型的颗粒，比表面积小于小粒径类型的颗粒，因此依附于表面生长的微生物数量丰富度欠佳，介于其有限的微生物相，水体中营养盐的去除消解效果有限，进而进水中较多的未被消化截留降解的营养盐进入基质系统的中间层。这些现象的发生，基质系统中间层从来水中获得了更为充分的营养盐物质，更多的营养盐物质利用基质的表面积形成更多的维生物膜，导致基质系统的有效通流过水断面积大幅度缩减。同时，由于上下层大孔隙结构的良好导水性能，形成压差通道冲刷中层小颗粒填料基质表面的附着物，能够较好地改善系统运行过程中基质孔隙率的急剧下降问题，系统的堵塞时间延缓。

表1 分层有效孔隙率的降幅

结论

本研究构建了包括非冬季及冬季2 套进水管路系统、内部设置反级配组合填料层及中空保温层的生活污水人工湿地处理系统。将天然冻土层做成中空结构，内部填装有木屑，导温性差、保温性好，能形成天然的防冻保温结构，有利于湿地结构系统在冬季低温季节高效运行。

鉴于不同季节的温度作用下，构建的人工湿地系统在非冬季环境下对进水中的营养盐物质的去除效果明显优于在冬季环境条件下的效果；同时，由于该系统结构中自设的具备保温性能的特殊结构的作用，在冬季环境下仍能对来水中的营养盐物质COD 保持较高的去除率。

构建的人工湿地系统在非冬季的NH3-N 和TP 去除效果优于冬季，非冬季的水温较高，植物生长快对水中NH3-N 吸收量加大，微生物生长和代谢快、活性高，加速了NH3-N和TP的去除。该系统在冬季的保温性能良好，微生物活性下降效果不显著，因此冬季NH3-N 和TP 去除率下降幅度较小。

填料层自上而下采用反级配的粒径组合形式，可使废水中的SS 在到达细颗粒介质前被大颗粒介质截留一部分，有效减缓堵塞发生的速率，延长堵塞发生的时间，同时最底层的大粒径填料形式有利于改善细粒层堵塞后的水利条件。而反级配的结构形式，一方面可以使更多的氧气在更开阔的表层中进行扩散和对流，提高介质结构的净化效果；另一方面有效增加了固体的储存能力，使得床层介质得到更有效地利用。同时，通气管阀门开度可控，可有效调节通气量大小及湿地内部的温度。